不用电池的混合能源电动汽车的制作方法
【专利摘要】一款新能源汽车，从电动汽车的定义讲，它是完全由电动机驱动，可定义为纯电动汽车。但无须装载动力电池，解决续航问题。电力由车载发电机提供，发电机的动力由汽柴油发动机和风力发电风轮巧妙地结合提供，详细介绍了如何把风阻再吸收利用并如何将风能最大化利用，不单单能应用于家用电动轿车上，更适宜于大型客车、卡车，乃至于高铁及地铁上，车速越快车辆油耗越小，达到节能减排、缓解全球能源危机及减少雾霾的目的。
【专利说明】不用电池的混合能源电动汽车
[0001]1、发明的名称:不用电池的混合能源电动汽车。
[0002]2、所属技术领域:汽车制造；新能源汽车；风力发电；电机制造。
[0003]3、【背景技术】:电动汽车的瓶颈在于动力电池，电池贵、重、大、充电时间长、寿命短、电力损耗率高等因素使得电动汽车无法与传统汽车相抗衡。需要特别强调的是，电动汽车不应只限于小客车，更应包含大客车、大小货车等各种形式的车辆。现在连轻型的电动汽车都难以普及，实在无法期待电动汽车能担负起未来运输的重任。业界只能等待石油逐渐耗竭，汽油价格飙升，迫使消费者购买电动汽车。
[0004]就目前的情况来说，新能源汽车的研究主要集中在混合动力汽车、纯电动汽车(BEV，包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等各类别产品。而相对于其他新能源汽车，只有纯电动汽车能够做到零污染、零排放，低噪声。它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心，无疑是最为理想的新能源汽车。但是纯电动汽车也存在些缺陷，对于纯电动汽车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。其另外一个制约的瓶颈是，目前蓄电池单位重量储存的能量太少，续航里程受到很大限制，还因电动车的电池较贵，尽管单次充电价格与汽柴油相比很小，但折算原装电池价格及几年后更换电池价格也不一定比燃油经济，再说数年后废旧电池的回收处理，其二次污染也是个不小的问题。
[0005]能否设计一款不用车载电池提供能源的靠电动机驱动的新能源电动汽车呢？
[0006]对于车辆来说，风阻是车辆行驶时来自空气的阻力。主要表现在三种形式，第一是气流撞击车辆正面所产生的阻力，就像拿一块木板顶风而行，所受到的阻力几乎都是气流撞击所产生的阻力。第二是摩擦阻力，空气与划过车身一样会产生摩擦力，然而以一般车辆能行驶的最快速度来说，摩擦阻力小到几乎可以忽略。第三则是外型阻力。一般来说，车辆高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源。外型所造成的阻力来自车后方的真空区，真空区越大，阻力就越大。一般来说，三厢式的房车之外型阻力会比掀背式休旅车小。车辆在行驶时，所要克服的阻力有机件损耗阻力、轮胎产生的滚动阻力(一般也称做路阻)及空气阻力。随著车辆行驶速度的增加，空气阻力也逐渐成为最主要的行车阻力，在时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行车阻力的85%。
[0007]垂直平面体风阻系数大约1.0，球体风阻系数大约0.5，一般轿车风阻系数
0.28—0.4。
[0008]谈到风阻系数，不得不涉及到另外一个概念叫做压差阻力，它的产生是由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的。压强差所产生的阻力、就是“压差阻力”。压差阻力同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系。
[0009]用刀把一个物体从当中剖开，正对着迎风吹来的气流的那块面积就叫做“迎风面积”。如果这块面积是从物体最粗的地方剖开的，这就是最大迎风面积。从经验和实验都不难证明:形状相同的物体的最大迎风面积愈加大，压差阻力也就愈加大。
[0010]物体形状对压差阻力也有很大的作用。把一块圆形的平板，垂直地放在气流中。它的前后会形成很大的压差阻力。平板后面会产生大量的涡流，而造成气流分离现象。如果在圆形平板的前面加上一个圆锥体，它的迎风面积并没有改变，但形状却变了。平板前面的高压区，这时被圆锥体填满了。气流可以平滑地流过，压强不会急剧升高，显然这时平板后面仍有气流分离，低压区仍然存在，但是前后的压强差却大为减少，因而压差阻力必然会降低到原来平板压差阻力的大约五分之一。假设在圆形平板的前面加上一个可旋转的叶轮呢？压差阻力减小的同时，叶轮从风能中获得了旋转动能。
[0011]如果在平板后面再加上一个细长的圆锥体，把充满旋涡的低压区也填满，使得物体后面只出现很少的旋涡，那么实验证明压差阻力将会进一步降低到原来平板的大约二十到二十五分之一。象这样前端圆纯、后面尖细，象水滴或雨点似的物体，叫做“流线形物体”，简称“流线体”。在迎风面积相同的条件下，它的压差阻力最小。这时阻力的大部分是摩擦阻力。除了物体的迎风面积和形状外，物体在气流中的位置也影响到压差阻力的大小。
[0012]风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽、用之不竭，分布广泛。随着人类对生态环境的要求和能源的需求，风能的开发日益受到重视，风力发电将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。
[0013]关于风力发电机，按风轮轴向一般分为水平轴式和垂直轴式风力发电机两类，早期水平轴式风力发电机占据了主流位置，随着电子计算机技术的发展，H型垂直轴风轮功率的计算得以解决，垂直轴式风力发电机正以势不可挡的态势在迅猛发展。尽管启动转矩稍大，但由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，匹配无铁心盘式稀土永磁发电机，其优势凸显。
[0014]现今的螺旋桨式风力机的尖速比(Tip Speed Rat1)大约在4、5左右，这意味着风力机叶片尖端的线速度是风速的4、5倍，大型的螺旋桨式风力机的叶片回转直径有40米以上，而风能有利用价值的风速通常都在10米/秒以上，单张叶片重达数百公斤甚至一吨以上，物理直觉也能想象，叶片将会受到巨大的离心力的作用，更何况螺旋桨式风力机的叶片的受力模型是一种叫悬臂梁的结构，这是一种内力状况比较差的受力模型，因此对于叶片的材质有非常苛刻的要求。事实上一些先进国家进口的风力机叶片都是碳纤维增强树脂在非常严格的条件下制造出来的，自然价格就极昂贵了，非但如此，叶片还是一种易损品，这一切都要打到发出电的单价成本中去。这个特点一方面限制了螺旋桨式风力机的普及应用，另一方面也表明了再要扩大螺旋桨式风力机的单机装机容量是非常困难的。由于发出的交流电有频率限制，因此要采用恒速运行。我们知道旋转式风力机都有一个最隹的尖速比，离开了这个尖速比，风能利用系数就会大打折扣，因此，不能调桨距的螺旋桨式风力机的效率将不可避免地很低，因为它不得不眼睁睁地看着风能从身边溜走而无法加以利用。对于可调桨距的螺旋桨式风力机，风力机的效率自然是要高一些了，但也有限，因为调桨距需要消耗功率，特别是反应越灵敏，功率消耗越大；反应迟钝则又重蹈不可调桨距之覆辙。
[0015]垂直轴式风力机的叶片(长轴方向)与回转轴都是垂直设置的，这意味着转子在将风能转变成机械能以后，在将机械能转变为电能的过程可以在地面上进行，这就为使将动能转变为电能的过程中间插入一个软调节环节创造可能，所谓的“软调节环节”这里是指缓冲、储能、转变能量形式的操作。由于“软调节环节”的存在，我们就不必再顾忌因为电力的工频输出而努力使风力机的转子保持恒转速的运行了，也就是说我们可以力图使转子保持恒尖速比运行，恒尖速比运行与恒转速运行是不可同日而语的。人们搞风力发电为的就是最大限度地变风能为电能，如果我们能够做到最大限度地变风能为电能，有什么理由不去做呢？
[0016]世界风能总量约为世界总能耗的三倍，风力发电技术日臻成熟，风能的优点:取之不尽、用之不竭且无污染。缺陷:随机性、间隙性、波动性大。业界普遍认为“直接利用”是困难的。风轮获取风能贝茨极限0.593。如何充分利用风能？业内专家离不开专业的框框，首先考虑的是自然风场选址，增加塔架高度和风叶的直径，在功率损耗上做文章，随着电子计算机技术的发展，H型垂直轴风轮功率的计算得以解决，垂直轴风力发电机将逐步取代水平轴风力发电机的主流位置。能否跳开现有行业的思路更好地吸取风能？能否摒弃自然风的随机性、间隙性、波动性大的缺陷，人为制造一个高速相对恒稳的风场？所发的电能否被直接利用？能否打破贝茨极限0.593 ?
[0017]发电机高速体积小，低速体积大，而且随着转速的降低成本会增加，但效率也会增加，低速发电机是通过合理的磁能分布，合理的电磁布线而达到超低速旋转发电。故适应自然风速的低速发电机应运而生，许多厂商都能按用户需求生产额定电压、额定转速的不同功率的发电机。但是，如果有持续的30米/秒以上风速(自然风不可能)的话，发电机的体积、重量、成本也会下降，且在额定工况下，变转速运行、变负载工况下输出电压保持稳定的问题也不是难题。
[0018]这个高速恒稳的风场从何而来？空气的流动形成了风，车辆高速行驶产生，前面已经说到，发动机耗能驱动车辆运行产生并克服风阻，无须再增加耗能来制造风，这个风阻是不可避免的副作用，但是，我们要将这个副作用吸收再利用。电机铁芯涡流发热的副作用被利用，自1957年德国诞生了第一台电磁炉来，电磁炉已广泛运用到千家万户，能否把车辆高速行驶产生的风能再利用？如何利用、如何巧妙地利用且如何直接利用还要谈到另外一个名词。
[0019]飞轮，具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件，常见于机器、汽车、自行车等，具有较大转动惯量的轮状蓄能器。
[0020]飞轮效应指为了使静止的飞轮转动起来，一开始你必须使很大的力气，一圈一圈反复地推，每转一圈都很费力，但是每一圈的努力都不会白费，飞轮会转动得越来越快。达到某一临界点后，飞轮的重力和冲力会成为推动力的一部分。这时，你无须再费更大的力气，飞轮依旧会快速转动，而且不停地转动。这就是“飞轮效应”！飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。
[0021]阿基米德说过:给我一个支点我将撬起整个地球，我国有这么一句话与之类似，就是四两拨千斤，原理就是力矩等于力乘力臂。我们可以将风能聚集到最远作用点形成的一个狭小的面上。
[0022]在水力发电中(水与空气一样都是流体)，有一种水轮机叫“幅向轴流式水轮机”，这种水轮机现在仍被大量地在使用，它的构造与垂直轴式风力机极其相似，所不同的是它通过蜗壳向“幅向轴流式水轮机”径向供水。这种“幅向轴流式水轮机”的最高效率可以达到 90%，无疑，90% > 59.3%o
[0023]到此问题就好解决了，发电机的电压与功率按车型需要设计，发电机的额定转速按车辆120km/h高速限速形成的风速33.33m/s能带动叶轮的转速设计，轴按安装要求设计为单轴或双轴，接两个飞轮，一个飞轮安装风力发电风叶，另一个飞轮由汽(柴)油发动机驱动，转速由齿速比调节能很好地控制在不大于风力发电风轮转速，车辆初始运行由发动机带动发电机发电来供电动机驱动车辆，这时风轮没转动，油耗与普通汽车相当，当车速达到风轮启动风速后，风轮转动，发电机原动力由二者共同提供，发动机可减少动力，亦即减少油耗，速度越快车辆油耗越小，达到节能减排的目的。
[0024]4、
【发明内容】
:本发明是基于风力发电、水力发电原理，利用车辆高速行驶时克服的阻力，将浪费的风能再吸收利用，并将幅向轴流式水轮机叶轮原理运用到风力发电叶片上，突破风能利用率的贝茨极限0.593，发动机和风轮分别通过飞轮共同接在同一发电机上，有机结合共同为发电机提供动力，所发电为车辆实时利用，来实现无须安装动力电池的最终为电力驱动的新型电动汽车。不单单能应用于家用电动轿车上，更适宜于大型客车、卡车，乃至于高铁及地铁上。
[0025]5、【具体实施方式】:据现有风力发电理论，输出功率随风力机的扫掠面积及风速的增加而增加，具体到与风轮直径的平方及风速的立方成正比。叶片的成本随其长度增加而逐步上升，垂直轴H型风力发电系统，在径高比β = R/H = 0.994 ^ I时，性价比最高。火车标准轨距1435mm，车厢宽度3000?3200mm，目前运营时速可达300km/h，设计时速更高。机车牵引功率5000kw上下。家用轿车、客运大巴、卡车车宽有一定的设计范围，高速限速120km/ho查表格风力机的平均输出功率，垂直轴转子直径2m时，风速为10m/S时平均输出功率为1.17kw，风速为30m/s时平均输出功率为31.59kw，风速为50m/s时平均输出功率为146.25kw。当转子直径为3.2m时，风速为10m/s时平均输出功率为2.92kw，风速为30m/s时平均输出功率为78.84kw，风速为83.33m/s时平均输出功率为1687kw。以上数据是现有H型风轮在自然风场中一侧叶片受到推力而另一侧同时受到阻力的情况下得到。按本发明设计，只要将匹配的发电机按额定的高风速配置，根本不需要塔架，即可发出高品质电，因风速为人为创造，范围稳定可靠，所发电稳定，控制系统设计相对更简单。本发明将风轮叶片设计在涡轮轴流罩壳内，3-5片垂直叶片(叶片少转速快)与空心圆筒成锐角整体浇注形成叶轮，轴向进风，减少扰流，排风口可直接引向车尾，减少车尾真空区降低风阻，风轮所获风能远大于贝茨极限0.593。
[0026]实际应用中，不仅可应用于家用电动汽车，更适宜于大型车辆乃至于高铁、地铁，因为风力发电风轮所获风能与风速的立方成正比并与风轮直径的平方成正比，所以说车速越快、迎风面积越大所获风能越多，相对来说就越省油。
[0027]大型客车及卡车，大多平头，车宽2500mm、高3000mm左右，风阻系数较高，按国内驾驶规则，驾驶舱仍在左侧，左半向前方圆弧形延伸，中线处向右后方顺势平滑过渡，右边缘留进风口，按目前设计水平的H型垂直轴风力发电机风轮功率因数0.4算，直径2.5m的风力发电机在风速达到30m/s时所获电能达到50kw，如果风轮叶片采用本发明设计结构，或者就用H型翼型叶片，按该进风方式，风轮功率因数即可突破贝茨极限0.593，所获电能远远超过50kw，圆筒形叶轮内的空间足够安装发动机。
[0028]应用于小型家轿上，发电机可设计安装在车尾，发动机仍在车头，靠传动轴驱动发电机，也可后置，风轮排风排向车尾，使得车体后面只出现很少的旋涡，那么压差阻力将会进一步降低，风轮的安装可垂直安装，也可仍利用垂直轴原理水平安装。
[0029]同样的原理应用，也可以用于油电混合动力汽车上，只不过发电机不是由发动机与风轮同时驱动，而是单由风轮驱动发电，发动机驱动车辆，风力发电代替动力电池，来实现油电混合驱动。
【主权项】
1.一款不用电池的混合新能源汽车，完全由电动机驱动，电动机的电力由汽柴油发动机和风力发电风轮巧妙地结合提供，该发电系统不仅仅可应用于小型家用汽车上，而且可应用于客车、卡车、高铁、地铁等任何高速运行的载体上。2.汽或柴油发动机带动发电机通过飞轮与发电机衔接，转速控制在不大于风轮转速。3.发电机可用按车辆电动机要求设计额定功率、转速、电压的低速永磁直驱发电机，同样可用其他类型的发电机通过增速齿轮来代替。4.根据权利要求1所述的风力发电风轮，通过飞轮与发电机衔接。5.根据权利要求1所述的风力发电风轮，其叶片为设计在涡轮轴流罩壳内，数片垂直叶片与空心圆筒成锐角整体浇注形成叶轮，同样也可用现有的截面为翼型的H型垂直轴风轮。6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其进风方式巧妙地由车身设计导流。7.根据权利要求1所述的风力发电系统，可安装在车头或车尾，可垂直安装也可水平安装。8.根据权利要求1所述的风力发电系统，同样可应用于油电混合汽车上。
【文档编号】B60K6/26GK105882378SQ201410765962
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月29日
【发明人】张文祥
【申请人】张文祥